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TC11钛合金大规格环材的组织与性能研究

发布时间:2022-10-09 10:44:58 浏览次数 :

TC11钛合金属于高Al当量马氏体型α+β 钛合金,该合金具有优异的高温强度,热稳定性及抗蠕变性能,被广泛应用于航空航天领域。TC11钛合金作为重要的航空和宇航材料,主要用于制造服役温度在500℃以下的航空发动机压气机盘、叶片、鼓筒等零件及飞机结构件等。随着航空航天技术的飞速发展,对这些关键部件用钛合金的性能要求越来越高,要求其具有更加优异的综合性能。而钛合金的综合性能与其最终的组织形态、相的比例、晶粒的大小及分布情况密切相关。

TC11钛环

目前,锻造是钛材热加工中最常用且最有效的加工方法。不仅可以直接锻造成工件的形状,还可以优化其微观组织,改善其力学性能。但是,锻造存在遗传性,会造成成品棒材、饼材、环锻件等组织不均匀问题,尤其是大型的饼、环锻件。为此,我们采用多火次换向镦拔锻造工艺制备大规格环材,该变形方式可以使原始坯料中的铸态晶粒得到充分破碎和再结晶,从而消除了成品中出现的金相缺陷。同时,研究热处理工艺对大规格环材组织、力学性能的影响,从而确定最优化的热加工工艺。

1、实验材料及方法

本文实验所用材料为TC11钛合金铸锭,采用3 次VAR 熔炼,锭型φ 700mm,其主要化学成分:Al:6.7%,Mo:3.3%,Zr:1.8%,Si:0.3%,其余为Ti。经金相法测定其相变点为1016 ℃,铸锭经β 相区开坯锻造,α+β 相区环坯锻造、冲孔, 扩孔成形锻造制得成品规格为φ 830mm/φ 520mm×220mm。在环材高度方向上截取试样环进行热处理实验,热处理在箱式电阻炉中进行,其方案见表1。

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为研究环材组织和力学性能的均匀性,将大规格环材按优化出的热处理工艺制度进行整体热处理后,沿厚度方向分为外表层、1/2 层和内表层,沿高度方向分为上表面、H/4、H/2、3H/4 和下表面(H 为环材高度),共15 个位置,进行室温拉伸性能检测,考核其力学性能的均匀性,观察不同方向的显微组织,考核其组织的均匀性。

2、实验结果与分析

固溶温度对TC11钛合金环材性能的影响

1)固溶温度对TC11钛合金环材组织的影响。

图1 为TC11钛合金环材经过950℃~ 990℃固溶处理+530℃时效处理6 小时后的显微组织。在不同固溶温度+ 时效处理后,TC11 环材显微组织是由等轴初生α 相和β 转变组织组成,β 转变组织上分布着细小的针状和短棒状次生α 相。随着固溶温度由950℃升高到990℃,等轴初生α 相含量逐渐减少,由950℃时的50% 逐渐递减至990℃时的10%,且初生α 相晶粒尺寸逐渐增大。同时,随着固溶温度的升高,针状次生α 相含量逐渐增加且变得更加细小弥散。同时,伴随着部分初生α 相的逐渐溶解,未转变的β 相基体含量的饱和度增大,为次生α 相的析出增大了驱动力,促使次生α 相的含量逐渐增多且细小而弥散。

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2)固溶温度对TC11钛合金环材力学性能的影响。

TC11钛合金环材经过不同固溶温度处理后的力学性能如图2 所示。

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随着固溶温度由950℃升高到990℃,TC11 合金的强度先升高后降低,970℃达到峰值,塑性先降低后升高,970℃时为低谷,相比强度的变化,塑性变化趋势较缓。在室温下,起主要强化作用的是位错,随着固溶温度升高,提供的相变驱动力促使次生α相的析出,在塑性变形时,弥散的α 相周围产生的应力场阻碍了位错运动,同时α 和β 相的界面产生 弥散强化,使强度大幅提高;随着固溶温度950℃升高到970℃,其塑性变化不明显,断面收缩率和锻后伸长率略有降低。随着固溶温度升高到980℃,初生α 相含量骤减,且初生α 相长大,导致两相间相界面较少,对位错的阻碍作用减弱,从而使强度下降,塑性变化略有提高,由此可知,在970℃固溶时,TC11钛合金的强韧性匹配最优。

冷却速度对TC11钛合金环材性能的影响TC11钛合金经970℃固溶处理后,不同冷却速度的力学性能见表2。由表2 可以知,固溶后采用水冷比空冷抗拉强度高260MPa,屈服强度高约220MPa,同时水冷的塑性骤降。图3 为TC11钛合金970℃固溶处理后水冷的SEM 组织,由图3 可知,水冷时,高温固溶处理时大量的亚稳定β 相被固定下来,在随后的低温时效过程中,较多的次生α 相从亚稳定β 相分解出来,并交叉排列在β 转变基体上。由于冷却速度快,过冷度大,再结晶晶粒来不及长大,同时引起了晶格畸变,促使在时效过程中,大量细小、无方向性的针状α 相从亚稳定β 转变相中析出。这些大量的细小次生α 相,交错排列,相界面阻碍了滑移的进行,从而使合金变形困难,因此,片状β转变组织越多,强度越高,塑性越差。

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TC11钛合金环材性能均匀性研究为提高合金的使用稳定性、性能的稳定性,在实际生产应用中,TC11钛合金大型饼材、环锻件均是在热处理状态下服役。研究热处理工艺对TC11钛合金组织和性能的影响,得出最优的热处理制度为970℃/保温2hAC+530℃ /6hAC。将文中大规格环材φ 830mm/φ 520mm×220mm 按照此热处理制度整体热处理后,研究其组织和性能的均匀性。图4 为TC11 环材沿壁厚和高度方向不同位置的显微组织,由图4 可知,采用多火次换向镦拔锻造工艺制备大规格环材,环材在高度方向以及厚度方向的组织均为双态组织,且组织均匀分布,等轴初生α 相晶粒尺寸大小均匀分布。对比图4 和图1 中(c),均为970℃ / 保温2hAC+530℃ /6hAC 处理后的组织,发现图1(c) 中初生α 相含量比图4 中少,而次生α相略多于图4。

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图5 为TC11钛合金环材不同位置的力学性能,由图5 可知,该环材在径向和厚度方向的力学性能均匀性良好,抗拉强度Rm 的极差值为15MPa,屈服强度Rp0.2 的极差值为18MPa,断后伸长率A 的极差值为4.5%,断面收缩率Z 的极差值为12%。对比图5和表2,相同固溶时效处理后,试样热处理比环材整体热处理性能高出约80MPa,塑性变化不大。在实际生产过程中,可以通过加快环材在空气中冷却速率而提高其强度。

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三、结论

1、TC11钛合金随着固溶温度的升高,初生α相含量逐渐减少,且初生α 相晶粒尺寸逐渐增大,次生α 相含量逐渐增多。室温强度随着固溶温度的升高先升高后降低,同时塑性变化幅度不大。

2、随着冷却速率的加快,TC11钛合金强度增大,塑性骤降。

3、 采用多火次镦拔换向锻造的TC11 大规格环材的组织和力学性能均匀性良好。在970℃ /2hAC+530℃ /6hAC 固溶时效后,环材具有稳定的强塑性。

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